就像原子聚集在一起釋放能量一樣，世界各地的核聚變研究人員正在聯(lián)合起來(lái)解決世界能源危機(jī)。利用聚變等離子體的能量作為電網(wǎng)的可靠能源并非易事，需要全球的貢獻(xiàn)。

普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室(PPPL)在這方面做了幾項(xiàng)努力，包括與西班牙塞維利亞大學(xué)合作設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一種新的聚變裝置。小寬高比托卡馬克(SMART)從PPPL計(jì)算機(jī)代碼以及實(shí)驗(yàn)室在磁學(xué)和傳感器系統(tǒng)方面的專業(yè)知識(shí)中受益匪淺。

PPPL國(guó)家球面環(huán)面實(shí)驗(yàn)升級(jí)(NSTX-U)研究副主任、PPPL與SMART合作的首席研究員Jack Berkery說(shuō):“SMART項(xiàng)目是我們所有人共同努力解決核聚變帶來(lái)的挑戰(zhàn)并向下一代傳授我們已經(jīng)學(xué)到的東西的一個(gè)很好的例子。”“我們必須一起做這件事，否則就不會(huì)發(fā)生?！?/p>

Manuel Garcia-Munoz和Eleonora Viezzer都是塞維利亞大學(xué)原子、分子和核物理學(xué)系的教授，也是等離子體科學(xué)與聚變技術(shù)實(shí)驗(yàn)室和SMART托卡馬克項(xiàng)目的共同負(fù)責(zé)人，他們說(shuō)PPPL似乎是他們第一個(gè)托卡馬克實(shí)驗(yàn)的理想合作伙伴。下一步是決定他們應(yīng)該建造什么樣的托卡馬克。

加西亞-穆尼奧斯說(shuō):“它需要是一個(gè)大學(xué)能夠負(fù)擔(dān)得起的，但也可以為大學(xué)規(guī)模的融合景觀做出獨(dú)特貢獻(xiàn)的項(xiàng)目?！薄拔覀兊南敕ㄊ前岩呀?jīng)建立的技術(shù)結(jié)合在一起:球形托卡馬克和負(fù)三角形，使SMART成為同類中的第一個(gè)。事實(shí)證明，這是個(gè)很棒的主意?！?/p>

SMART應(yīng)該提供易于管理的聚變等離子體

三角性是指等離子體相對(duì)于托卡馬克的形狀。托卡馬克中等離子體的橫截面通常呈大寫字母D的形狀。當(dāng)D的直線部分面向托卡馬克的中心時(shí)，它被稱為正三角形。當(dāng)?shù)入x子體的彎曲部分朝向中心時(shí)，等離子體呈負(fù)三角形。

加西亞-穆尼奧斯說(shuō)，負(fù)三角形應(yīng)該提供更高的性能，因?yàn)樗梢砸种茝牡入x子體中驅(qū)逐粒子和能量的不穩(wěn)定性，防止對(duì)托卡馬克壁的破壞。

他說(shuō):“這是一個(gè)潛在的游戲規(guī)則改變者，具有吸引人的聚變性能和未來(lái)緊湊型聚變反應(yīng)堆的功率處理。”“負(fù)三角形在等離子體內(nèi)部的波動(dòng)水平較低，但它也有更大的分流面積來(lái)分配熱量排出?！?/p>

與甜甜圈形狀相比，SMART的球形應(yīng)該能更好地限制等離子體。形狀對(duì)等離子體約束有重要影響。這就是為什么NSTX-U, PPPL的主要聚變實(shí)驗(yàn)，不像其他托卡馬克那樣矮胖的原因:更圓的形狀更容易限制等離子體。SMART將是第一個(gè)充分探索一種被稱為負(fù)三角形的特殊等離子體形狀潛力的球形托卡馬克。

PPPL在計(jì)算機(jī)代碼方面的專業(yè)知識(shí)證明是必不可少的

PPPL在球形托卡馬克研究方面有著悠久的領(lǐng)導(dǎo)歷史。塞維利亞大學(xué)的融合團(tuán)隊(duì)首先與PPPL聯(lián)系，在TRANSP中實(shí)施SMART, TRANSP是由該實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)和維護(hù)的仿真軟件。數(shù)十個(gè)設(shè)施使用TRANSP，包括私人企業(yè)，如英國(guó)的托卡馬克能源公司。

“PPPL在許多領(lǐng)域都處于世界領(lǐng)先地位，包括聚變模擬;交通運(yùn)輸是他們成功的一個(gè)很好的例子，”加西亞-穆尼奧斯說(shuō)。

馬里奧·波德斯塔(Mario Podesta)曾在PPPL工作，他在幫助塞維利亞大學(xué)確定用于加熱等離子體的中性光束的結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮了重要作用。這項(xiàng)工作最終在《等離子體物理與受控聚變》雜志上發(fā)表了一篇論文。

NSTX-U的研究主任Stanley Kaye現(xiàn)在正在與SMART團(tuán)隊(duì)的EUROfusion Bernard Bigot研究員Diego Jose Cruz-Zabala合作，使用TRANSP“確定在不同操作階段實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)的正三角形和負(fù)三角形等離子體形狀所需的整形線圈電流?！眲P伊說(shuō)，第一階段將涉及一個(gè)“非?；镜摹钡入x子體。第二階段將用中性光束加熱等離子體。

另外，Berkery、前本科生實(shí)習(xí)生John Labbate(現(xiàn)在是哥倫比亞大學(xué)的研究生)和前塞維利亞大學(xué)的研究生Jesús Domínguez-Palacios(現(xiàn)在已轉(zhuǎn)到一家美國(guó)公司)使用了其他計(jì)算機(jī)代碼來(lái)評(píng)估未來(lái)SMART等離子體的穩(wěn)定性。Domínguez-Palacios在核聚變上發(fā)表的一篇新論文討論了這項(xiàng)工作。

設(shè)計(jì)長(zhǎng)期診斷

SMART和PPPL之間的合作還擴(kuò)展到實(shí)驗(yàn)室的核心專業(yè)領(lǐng)域之一:診斷，這是一種帶有傳感器的設(shè)備，用于評(píng)估血漿。PPPL的研究人員正在設(shè)計(jì)幾種這樣的診斷方法。例如，PPPL物理學(xué)家Manjit Kaur和Ahmed Diallo與Viezzer一起領(lǐng)導(dǎo)SMART的湯姆森散射診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

《科學(xué)儀器評(píng)論》雜志上發(fā)表的一篇新論文詳細(xì)介紹了這種診斷方法將精確測(cè)量聚變反應(yīng)過(guò)程中的等離子體電子溫度和密度。這些測(cè)量將與離子溫度、旋轉(zhuǎn)和密度測(cè)量相輔相成，這些測(cè)量由被稱為電荷交換重組光譜套件的診斷提供，該套件由塞維利亞、克魯茲-扎巴拉和維澤大學(xué)的研究生Alfonso Rodriguez-Gonzalez開(kāi)發(fā)。

“這些診斷可以運(yùn)行幾十年，所以當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，我們會(huì)考慮到這一點(diǎn)，”Kaur說(shuō)。她說(shuō)，在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，重要的是診斷可以處理SMART在未來(lái)幾十年可能達(dá)到的溫度范圍，而不僅僅是最初的低值。

考爾從項(xiàng)目一開(kāi)始就設(shè)計(jì)了湯姆森散射診斷，選擇和采購(gòu)了不同的子部件，包括她認(rèn)為最適合這項(xiàng)工作的激光器。當(dāng)Gonzalo Jimenez和Viezzer從西班牙給她發(fā)來(lái)照片時(shí)，看到激光測(cè)試的效果非常好，她非常激動(dòng)。該測(cè)試包括在長(zhǎng)凳上安裝激光，并將其射向一塊特殊的羊皮紙，研究人員稱之為“燒紙”。如果激光設(shè)計(jì)得恰到好處，燒傷痕跡將是圓形的，邊緣相對(duì)光滑。

“最初的激光測(cè)試結(jié)果非常好，”她說(shuō)?！艾F(xiàn)在，我們急切地等待接收其他部件，以使診斷啟動(dòng)并運(yùn)行。”

詹姆斯·克拉克(James Clark)是PPPL的研究工程師，他的博士論文主要研究湯姆遜散射系統(tǒng)，后來(lái)被邀請(qǐng)與考爾一起工作?！拔乙恢痹谠O(shè)計(jì)激光路徑和相關(guān)的光學(xué)器件，”克拉克解釋說(shuō)。除了在項(xiàng)目的工程方面工作，Clark還幫助后勤，決定如何以及何時(shí)交付，安裝和校準(zhǔn)。

PPPL高級(jí)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Luis Delgado-Aparicio與Marie Sk?odowska-Curie研究員Joaquin galton - quiroga和塞維利亞大學(xué)研究生Jesus Salas-Barcenas一起，正在努力為SMART增加另外兩種診斷方法:多能軟x射線(ME-SXR)診斷和光譜儀。

ME-SXR也將測(cè)量等離子體的電子溫度和密度，但使用與湯姆森散射系統(tǒng)不同的方法。ME-SXR將使用一組稱為二極管的小型電子元件來(lái)測(cè)量x射線。湯姆遜散射診斷和ME-SXR相結(jié)合，將全面分析等離子體的電子溫度和密度。

通過(guò)觀察托卡馬克內(nèi)部不同頻率的光，光譜儀可以提供等離子體中雜質(zhì)的信息，比如氧、碳和氮。德?tīng)柤佣?阿帕里西奧說(shuō):“我們正在使用現(xiàn)成的光譜儀，并設(shè)計(jì)一些工具將它們放入機(jī)器中，并結(jié)合一些光纖。”發(fā)表在《科學(xué)儀器評(píng)論》上的另一篇新論文討論了這種診斷的設(shè)計(jì)。

PPPL研究物理學(xué)家Stefano Munaretto與塞維利亞大學(xué)研究生Fernando Puentes del Pozo Fernando領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)地工作一起研究SMART的磁診斷系統(tǒng)。

“診斷本身很簡(jiǎn)單，”Munaretto說(shuō)?！斑@只是一根繞在什么東西上的電線。大部分工作包括優(yōu)化傳感器的幾何形狀，使其尺寸、形狀和長(zhǎng)度正確，選擇傳感器的位置，然后進(jìn)行所有信號(hào)調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)分析?！盨MART的磁性設(shè)計(jì)在《科學(xué)儀器評(píng)論》上發(fā)表的一篇新論文中有詳細(xì)介紹。

Munaretto說(shuō)，SMART的工作非常有成就感，大部分從事磁診斷的團(tuán)隊(duì)都是由年輕的學(xué)生組成的，他們之前在該領(lǐng)域沒(méi)有什么經(jīng)驗(yàn)?！八麄兛释麑W(xué)習(xí)，他們努力工作。我肯定看到了他們光明的未來(lái)。”

Delgado-Aparicio同意了。他說(shuō):“我很喜歡和塞維利亞大學(xué)的曼努埃爾·加西亞·穆尼奧斯、埃萊奧諾拉·維澤爾以及其他經(jīng)驗(yàn)豐富的科學(xué)家和教授一起工作，但我最喜歡的是和他們那里充滿活力的學(xué)生一起工作?！?/p>

“他們很聰明，在理解我們面臨的挑戰(zhàn)以及如何朝著獲得第一個(gè)等離子體前進(jìn)方面幫助了我很多。”

塞維利亞大學(xué)(University of Seville)的研究人員已經(jīng)在托卡馬克上進(jìn)行了一項(xiàng)測(cè)試，用微波加熱時(shí)顯示出氬氣的粉紅色輝光。這一過(guò)程有助于托卡馬克的內(nèi)壁為更高壓力下密度更大的等離子體做準(zhǔn)備。雖然從技術(shù)上講，粉紅色的光來(lái)自等離子體，但它的壓力如此之低，以至于研究人員不認(rèn)為它是真正的第一個(gè)托卡馬克等離子體。加西亞-穆尼奧斯說(shuō)，這可能會(huì)在2024年秋天發(fā)生。